CN1060168A - 代码读取 - Google Patents

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Abstract

一种在透明瓶底上成环状排列的代码字符链的 读取方法,它借助摄像机和从下方对瓶底面瞬时照明 以通过瓶颈至少对瓶底摄像。在摄像机、瓶和照明光 源之间相对转动速度为零的情况下,从瓶的内侧摄取 带有完整代码字符链瓶底面快照并做为图象存贮起 来用于以后代码字符链的译码。该代码读取方法是 极迅速的,因为读取该代码只要有若干分之一秒时 间。使瓶和摄像机及照明光源对准就够了。所摄取 的代码字符链图像的译值采用直方图技术与分成若 干分段的一个储存的环形帧面比较而进行。

Description

本发明涉及一种读取一连串的,在透明的瓶子或类似物的下部排列成环状形的代码字符的方法。使一个摄像机其指向是通过瓶子的瓶颈对准瓶子的下部,同时从瓶的外部对瓶子的下部表面进行照明,并对用摄像机摄取的代码字符链进行储存和译码。
本申请人的德国专利No.3829025,描述一种在容器,最好是塑料瓶表面上采用光学手段读取代码字符的方法。即,借助于一个激光器在容器的表面上形成凹槽,以使每一代码字符的底形成漫射色散的反射层。在塑料瓶的情况下,尤其是多次反复使用的PET瓶,即,那种由用户送回来而后再充填的PET瓶,每个瓶要做约25次的再充填。根据该德国专利,它的代码是利用激光器形成的,代替了例如熟知的凸状的,或凹陷点状的Staint  Gobain代码,它们通常是将吹模号码用符号表示在瓶子的表面上,要求使用的时间比一般公知的代码短,而且能够记录更多的信息,和更加可靠地读出。这种读出方法,例如根据申请人的另一个德国专利No.3722422所述,它是用一个读数头自动地进行,该读数头包括一个光电传感器,它利用光导,将光源发出的光束投射到瓶子表面,并将由代码字符反射的光束回送到光电接收器。为了进行读出程序,当瓶子朝着传感器时,让瓶子进给机构中止工作,并使瓶子绕其纵轴旋转数次,以使传感器能对该代码字符链进行数次记录。
进给机构暂停,和使每个对着传感器的瓶子重复转动所需要求的时间应尽可能的短,因为,在可重复充填的PET瓶的检查机构中,检查能力是每分钟达到600个PET瓶。此外,由于多次反复使用的塑料瓶相比于玻璃瓶更加容易擦伤,而且形状和抗老化能力更不稳定。因此,随着多次反复使用的PET瓶的每次重新充填,可能使它的代码的正确读出会产生进一步的困难,其原因是,例如代码字符链的位置发生了改变,或被严重地弄污或变得模糊不清。而且,由于从洗刷车间来的要重新充填的瓶子可能会有标签残留或整个标签,或者在使用过程中已受到了极严重的擦伤,而会产生各种的散射光,从而不可能正确地读取代码,这就使得用熟知的代码读取方法难以读出代码。
从DE-A-2943811得知的一种代码读出方法,它是将一架用于代码读出的摄像机安置成,使其取向向下,并通过各个瓶的颈部聚焦在瓶底处,从而避免了上面提到过的问题。在瓶底的座标网格上包含有代码,该代码指出了制造该瓶子的模腔的号码。采用九个字符的代码,其中两个标明该代码的开始或结尾。借助于一个光源将光从下方通过一个缝隙投射到瓶底上。为了读出瓶子代码,将瓶子进给机构暂停在摄像机的下方,然后使瓶子绕其纵轴转动。代码字符设置在瓶底上的两条同心座标网格环之中,每一代码字符由二个比特(Bits)构成,即一个在外座标网格环上,而另一个在内座标网格环上。为了可靠地读出代码,在每一次读取过程中,使瓶绕其纵轴转动四次。摄像机是一种行扫描式摄像机,以网格标线形式顺序地摄下通过缝隙的代码字符。由于摄像机是从瓶子的内侧摄取代码符号,这种熟知的读取方法受到外来的影响确实较小,但是考虑到每次读取过程中,使进给机暂停和使瓶子重复转动需要时间和机械设备,还需考虑到将瓶子夹住和转动也需要设备。并且所采用的代码字符链要构成两个同心圆环,它只能提供在瓶底上,还不能允许编出超过模腔号码以外的信息,所以这就需要费钱。而且,在任何情况下,这种代码也难以用到玻璃瓶上。在这种已知的方法中,不可避免地要使工件做成有两个座标网格环的代码字符。因此,一方面每个字符要由两个比特组成,而另一方面代码字符链的开始和终了没能用其它方法来标明。
从DE-A1-3637210可知,它是将代码字符链成两个网格环提供在瓶底部的瓶壁上。但是,与申请人在上面提到的德国专利No.3722422中所述的一样,它是从外面对这些字符进行照明和读取,不同的只是在光传感器处设置一个摄像机。
事实上,从DE-A-2409160已经知道有一种代码读出方法,即,代码字符链仅仅构成一个圆环,它出现在玻璃或塑料瓶的底上,但是无论如何,在这种方法中,所有上面提到过的问题都会发生。在这种已知的方法中,灯光从上面通过瓶颈射向瓶底,而在读出步骤期间瓶子不必绕其纵轴转动。光探测器装在瓶底下方,并有一个绕瓶子纵轴转动的读出头,以便对代码字符作顺序的记录。这就是说,对工件采用了所谓扫描技术,在这里读出头代替瓶子转动。采用这种方法,虽然设备的费用可能减少,但时间的花费没有减少。因为,调节读出头在同一位置上不断转动和对准相比于调节很多瓶子,使这些瓶子夹紧和相继在读出头上方转动,同一读出头要作尽可能全同的对准和定位来说更为容易。在这种已知的方法中,每个代码字符还是由数个比特组成。为了能够确定代码字符链的开端,需要一个由四个网格符号互相紧挨排列的专门字符组合,由此来指出读出开始。读出最好重复进行多次,以便提高读出的准确度。然而,对这种已知的方法,采用了具有奇偶标志的自校正代码。
DE-A-2520136中描述了一种瓶子识别用的方法和装置。其中,所用的代码与前述方法中所用的代码相同。使用通过瓶颈指向瓶底的激光束照亮代码字符链。瓶底的下方装有一个反光镜,它将出射的激光束射到传感器上。对于读出过程,它既要转动激光束,又要转动瓶子,所以也存在上述存在的所有问题。
最后,从US-A-3745314知道一种识别瓶子模腔的装置和方法。其中,灯装在瓶嘴上方并指向瓶底,而一个读出装置装在瓶底下方,它们都是静止的,但在读出装置和瓶底之间装有一个可转动的棱镜,并通过一个聚光镜将瓶底的像引到读出装置上,棱镜在读出装置上方转动。这里,布置在瓶底上的代码字符链仍然组成两个同心圆环,因为灯一方面和镜子之间以及另一方面,它和读出装置之间必须相对移动,这种相对移动是由转动棱镜产生的。因此会产生与那些同样需要相互转动移动的其它已知方法和装置存在相同的问题,至少是费时。因此,用棱镜转动来代替瓶子或读出装置的转动,以便完成一系列的代码字符的读出是不可取的。
本发明的问题是提出一种改进前述类型的代码读出的方法,以便在没有任何准确度损失的情况下,可以用相当少的时间来读出具有更大信息量的代码。
从前述的各种方法出发,根据本发明来解决这个问题,从而获得带有整个代码字符链的瓶子下部表面的瞬时图像快照,并将之储存起来作为相继而来的同样代码字符链的译码的图像。
按照本发明的方法可大大地减少读出一个代码所需的时间,因为代码不是顺序的读出,而且借助快速照相形成一个单一的图像保留起来。对于这样一种快照如果必要的话,只需要使摄像机下方瓶子的进给稍慢一点,以便提供合适的图像曝光时间,在这个时间内,将具有整个代码字符链的瓶底表面的图像同时一起摄下来。对于把作为一张图像储存起来的代码信息进行译码的工作可在瓶子离开检测机的代码读出台一段时间之后再进行。
采用本发明的读出方法,在有关设备费用方面的优点是明显的。因为,本方法中不需任何转动装置。按本发明方法,作为一种快照所摄取的单一图像不仅包含代码,还可取得更多的信息,例如有关瓶底表面中的缺陷,污物或纸屑等。这种附加的信息可以与译码一起得到检查。这种将代码读出过程与瓶子底部表面的其它检查结合起来的方法,既减少了所花费的时间,又降低了装备的费用。
各个从属权利要求的主要特征构成了本发明的优选方案。
按照权利要求2的发明方案所提供的代码只有单一比特构成,这种代码读出方法不仅特别简单和可靠,而且也可使代码字符链中可以容纳特别大的信息量。即使在困难的工作条件下,例如湿运转,也能使代码被可靠地读出,在湿运动中,经常用肥皂液作输送润滑剂。
按照权利要求3的发明方案,为了对代码字符链的图像进行译码,采用了直方图技术,使得对所摄取的图像的检别特别简单和准确。
按照权利要求4的发明方案,其中所提到的步骤可以毫无问题地对所摄取的代码字符链的图像进行译码,即使瓶子底面的中心点与代码所在的位置构成的圆的中心点不重合,或者字符链的图像受污,或者瓶子老化而使代码符号失去其清晰度,也可以进行译码。从US-A-3502993可知,如何对一个信号等级本身和一个背景等级进行分别记录和比较。但是,这只是对与信号信息无关的等级变化的补偿起作用。
按照权利要求5的发明方案,避免了为确定代码的起始和结束比特而辗转消耗的时间。而且,它具有只用一比特构成的代码字符以确定代码字符链的开始和结束的可能性,从而在字符链中就没有浪费的空位。
总之,按照权利要求3和5的发明方案所说的代码读出方法,它与其它的代码读出方法相比较,既可以显著地降低软件费用、又可以降低硬件费用。
根据权利要求6的方案,其中贯穿本发明方法的读出代码是一种二进制条型码,它是由熟知的汉明距离(Hamming  distance)所确认或获得的。在这里,按照汉明(加权)对代码进行矫正的可能性是本发明的一个特别重要的优点。汉明距离的定义是在对它们的代码的所有字符进行比较时,所出现的值的不同比特的最小数目。汉明距离是传递误差可靠程度的量度,用于检查和校正读出的可靠性。在本发明情况下,较佳的代码实际上能够包含8、16、28、32等比特,但现在为了表示多次反复使用的PET瓶所必须的数据,16、28或32比特是更好的比特数。代码是由瓶子制造者在瓶子制造过程中加到瓶子上的。
按照权利要求6的发明方案中,所述代码的另一个优点呈现在权利要求7的发明方案中,它是使得由多次反复使用的PET瓶的制造者所要求的通常的数据,诸如日期、生产线(或生产者)和瓶子的型号,还有诸如瓶子的颜色和尺寸等具体细节有可能持久地固定在瓶子上以便可靠地读出。
在由权利要求8所说的发明方案中,如果代码不是在瓶底处,而是在瓶子的底和具有最大圆周的瓶子高度位置之间的外壁表面上,该代码也可能被读出。前面所描述的相关现有技术指出,到现在,用已知的简单方法来读出固定在前面提到表面处的代码已是普通的实践。在这里,为了译出代码,光从外部照射到代码上,而后向外反射回来或是利用非反射光,这些办法都存在着前面提到过的问题。在将摄像机取向通过瓶嘴指向瓶底,或是使光投向瓶底而摄像机或读出装置位于瓶外的所有已知的方法中,只有固定在瓶底处的代码才能使用。
按照权利要求8的发明方案,相比于上述现有技术DE-A1-3637210中提到的方法,它可以用于对能够容纳尽可能多的数据的代码进行工作,并在摄像机、瓶子和光源之间没有相对移动的情况下读出该代码。显然,比起提供在瓶的圆周接近最大处的代码字符链来,瓶底上的代码字符链只能记录较少的数据或较低清晰度的数据。至此,显然除非从外面提供光学条件,否则要读取处于瓶底上方的瓶子表面上的代码被认为是不可能的。很明显,在现有技术中必须要考虑到与此有关的较大的时间耗费。
按照权利要求9的发明方案,它可以有效地防止所摄取的单一图像的“拖影”。
在按权利要求10的发明方案中,可以用一种较简单的方法来摄取快照,即,不采用闪光照明或特别短的曝光时间,而操作是在摄像机,瓶子和照明光源不存在相对转动速度的情况下完成的。
下面将参照附图对本发明的实施例作出更详细的说明。
图1表示采用本发明方法的一种瓶子检查机器。
图2表示一种代码,尽管有大的数据量,它也能按本发明的方法可靠地进行代码读出。
图3a和3b分别用两个视图表示一个新的和一个旧的透明瓶子的快照,有环状的代码字符链。
图4以数个图解部分来说明按本发明方法的直方图(Histogram)技术的实际应用。
图1表示一台PET瓶子检查机器的整体透视图。图中仅表示出一个瓶子10。该机器有一个输入圆盘传送带12和一个输出圆盘传送带14,在传送带上有12个位置分别容纳12个瓶子10。每个圆盘传送带由两个星形盘构成,上星形盘对准瓶子10的颈部中心。在圆盘传送带12和14之间有一个主圆盘传送带16,它有16个工位。主圆盘传送带16的每个工位装备有一台完整的试验装置,用来进行体积和密封性测量、高度测量,平直度测量,瓶嘴歪斜度测量和洗刷残留物检查。对此,这里不作更详细的描述。瓶子10由一个螺旋输入输送机送到输入圆盘传送带12。在输出侧,再由一个螺旋输出输送机20将瓶子送出该机器。
在输出圆盘传送带14的上方装有一个用于代码读出的摄像机盒22,盒内装有摄像机24,只能在盒外见到摄像机镜头。摄像机盒22固定在一个导轨26上,为进行摄像机调焦,该导轨26可通过机座30上的手轮28来调节高度。对着摄像机24装有一个照明光源32,借助该光源,使得处于光源和摄像机之间的瓶子底部受到均匀地照明。摄像机24最好是一种高分辨率的CCD摄像机,例如,Fairchild  1300型,带有专用高速视觉摄像组件(未图示)的摄像机。摄像机24聚焦在瓶子10的底表面上,欲使施加在瓶子底部和处于瓶子最大圆周的高度之间瓶子外壁表面上的代码字符链34也能从瓶子内侧被摄取到。如果瓶子10被输出圆盘传送带14移动,并使其纵轴处于摄像机24和照明光源12之间的连线中,那么摄像机24就摄取了一幅包括有邻近瓶底的瓶子侧壁表面在内的一张瓶底照片快照。
图3a表示一张新的白色瓶子的快照。图3b表示一张用过的白色瓶子的快照。在两张照片中的代码字符链34都能被清晰地辨认,它是由一种二进制条形码组成,其结构示于图2中。这是一种借助汉明距离(Hamming  distance)获得的条形码,在例子中表明,它是由二十八比特构成的,即一个起始比特和一个结束比特,六个试验或检测比特和二十个数据或数据比特。数据比特,如前明已经说明过的,它分成日期,瓶子生产线型号以及储藏范围三个方面的信息。这个典型实施例中的代码字符链位于小于瓶子圆周的180度范围内。
下面要更详细地说明代码读出方法的一个重要特性是,该代码字符链34不是按比特挨着比特的顺序存入的,而是以一种瞬时图像或快照形式成一个完整单一图像存入的。“快照”的意思就是一种采用短曝光时间摄取的像,以便防止在所摄取的图像中有“拖影”或任何种类的不清晰。为了取得这种照片,因此要求摄像机24,瓶子10和照明,光源32之间不存在相对转动运动。照相闪光灯可用作照明光源32。为了摄像而使输出的圆盘传送带14的转动速度,即瓶10的进给速度稍微慢下来,或是使输出的圆盘传送带14仅仅停下为摄取图像所需要的时间(可能是小于一秒的数量级)就足够了。但是,如果在此采用高速摄像机或高速视觉摄像组件,则连这样的时间也是不需要的。所摄取的图像被贮存下来以便其后作进一步的处理。作为所摄取的像片,除了含有代码字符链34外,还包括关于整个瓶子底部表面的信息,它也可以用来对底部进行检查。
参照图4,将对图像的评价作更详细说明,目的是通过代码对所贮存的图像中所包含的数据进行译码。
按照图4a,将代码限定成一连串的字符或条形码,各由一个比特B(bit B)构成。每个比特B或每个条形码是由两条半径r1和r2以及一个角α之间形成的面积。各比特B可能按任何角度来设置成互相有一定距离。字符链中的第一比特是起始比特,而最后比特是停止比特。在此所描述的情况中,代码如图2中所用的,代码字符链34由二十八个比特构成。
为了确定一比特B的表面大小,首先要对一确定的外围面积的直方图作计算。为说明起见,通常应该认为直方图是指一个被观测物的随机变量的实际数值频数分布的一种图解表示方法。将该变量的数值范围表示在横座标上,并将横座标分成若干间隔。将每一间隔作为一矩形的底边,它的面积正比于在相应间隔之内观察到的数值的频数。在本方法的特殊情况下,该表面被认为是正比于强度的。
首先,将包围一个比特B的面积限定。该面积可能是一张完整的图像C,该面积的特点是由预定的强度IC来确定(见图4b)。
通过对图像C的直方图计算,将给出一个恒定数值NC1,它等于图像C面积的大小。在图4b所说明的简单情况中,图像C为一矩形。现在,将一任意形状的斑点加到背景,即图像C上(见图4C)。该斑点的特点由强度IA确定,IA不等于IC。作为图像C的直方图已经知道,它将再给定一个较小的外围表面NC2(见图4C)。所以,对斑点表面NA说来应该是NA=NC1-NC2
较为复杂的情况是,背景为不均匀的,而且有两个不同的强度IC1和ID1的情况,例如图4d。
对该背景的直方图计算给出NC1和ND1,即背景左和右部分的的表面。现在再加上斑点,见图4e。该斑点的强度是IA=IC=ID。由图像的直方图再给出背景的表面NC2、ND2。给出斑点表面为:NA=(NC1-NC2)+(ND1-ND2)。
对于更加复杂的情况也可采用相同的方法。
现在为了在某一情况下计算代码中各比特B的表面,必须在代码中提供每个比特的限定的周围面积。必须保证在该代码添加到背景上之前就知道背景的表面。将代码加到背景上可以是一种将两图像叠加的步骤。可以把背景称作一个帧面SCH,它是由下列步骤产生。
首先,按照图4f,圆环R有半径为r4和r3的外轮廓线,其中,使(r4-r3)>(r1-r2),借以消除了与瓶子纵轴位置有关的敏感性。如果瓶底的中心点与代码所在位置圆环中心点不一致,则问题可能以另一种方式发生。因此,为了确保背景环完全包围住代码中各个比特,两个图像或圆环表面要互相重叠(见图4f)。
第二步包括将图形圆环R切成许多分段S,各具有角度β,其中,使β≦α。因此,分段角β小于或等于一个比特β的角度α。在这里所说的特殊例子中,使β=α=3.6°,通过计算,将可达到每个图形圆环有360°/3.6=100个分段S(见图4g)。
下一步是各个帧面分段S有相应的强度。第一分段可以用强度1标明,第二个分段为强度2,等等。帧面的剩余部分,即环R外面部分,其强度可能是I=0。
现在求取帧面的直方图。求取时要对各帧面分段进行填充,因为它们联系着不同的强度I,各种强度图像的数目将填到分段S的表面N上。从纯数学上考虑,将得到一个直方图表示的平均值M(见图4h)。其中,表面N对照着强度I画出,而实际的直方图EH是以M为其平均值的不规则曲线。每个限定的图像表面在平均值直方图上发生变化(如图4h所示),因为各个分段表面是被确切知道的。因此,确定这些变化没有任何困难。这种程序仅仅执行一次,然后就被储存在所用的计算机的贮存器中。
现在,将代码加到帧面SCH(加到背景)上,代码的各个比特36可能会落在帧面圆环R的任一分段中,或者最有可能是叠加到两个相邻分段的一部分上。既使任一比特B叠加到三个或多于三个的分段上,这也不会出现任何困难,因为每个分段是以其自身的强度为标志的(见图4i)。
此外,还必须小心地将各个比特本身区别开来。对此,应使比特的特征落在帧面分段特征的区域之外。将两个图像叠合起来的可能性之一是使两图像以图挨着图简单叠加起来而形成。如果与帧面的分段S联系起来的最大强度是值i,则可能与一个比特联系起来的最低强度是i+1,而将强度零与图像的剩余部分联系起来。叠合之后,各比特的强度次序从i+1到i+2排列,它落在帧面分段的强度范围之外,所以没有任何比特在叠加过程中消失。通过制成叠加图像的直方图,就可在图像上获得代码的直接描绘,例如,可以通过和保存在贮存器中的帧面直方图进行直方图的比较,通过确定一个帧面分段或两个相连帧面分段表面是否按一个比特的数量级减少,从而确定比特的所在位置,就是说,在该位置上有一个比特或具有它们的等同物,因为代码字符链同样形成一个环形表面,每个比特就有一个分段的形状。当对代码字符链进行译码时,其开始和停止比特就能因此而被定位。在代码字符链中,第一次降低强度处的分段包含着开始比特,而代码字符链的强度最后在最后降低处的分段,则包含着停止比特。
起始和停止比特可以按如下方法,以几乎没有时间消耗的算法来定位。在此实例中,代码长度的数量为y,y=28比特。以向上的顺序来检查各帧面的分段,以便找出包含一个比特的帧面分级X,如果找到了,则对与该帧面分段X间距为(X-1)=27个帧面分段的各分段进行检测,以确定它是否包含一个比特。若是,则所定位的这对比特就被用作起始和停止比特。是否,则重复上述的两个检测步骤,直到找出一对为二十七个比特所分开的定位比特为止。如果通过这种方法没有能够找到这样一对比特,这将意味着存在着差错,即,瓶子不清洁或磨损太厉害,从而代码不能正确地读出,或存在其它一些影响读出的情况。

Claims (10)

1、一种为读取一连串的在一个透明的瓶子上成环形地排列在瓶子的底面上的代码字符的方法,用一摄像机通过瓶颈指向瓶子底面,从外对瓶子底面照明,并对用摄像机摄取的代码字符链进行储存和译码,其特征在于摄取了带有完整代码字符链的瓶子底面的瞬时图像并被存储起来作为其后用来对代码字符进行译码的图像。
2、按权利要求1所说的方法,其特征在于代码字符链由一环状表面形成,各个代码字符成条形分段码形式代表一个单一的比特。
3、按权利要求2所说的方法,其特征在于代码字符链的译码是采用一种直方图技术对所储存图像进行处理。
4、按权利要求3所说的方法,其特征在于具有以下步骤:
(a)在由一个其朝内和朝外均比由代码字符链所形成的环状表面大的环状表面形状中选择帧面;
(b)划分帧面的环状表面成若干(Y)个帧面分段,这些分段沿圆周的宽度在任何情况下均小于或等于一个代码字符段的沿圆周宽度;
(c)通过计算一个直方图,在一系列形成图像中将具有不同强度的各帧面分段表面与被确定的各个正比于其强度的帧面分段的表面区分开来。
(d)将帧面的圆环表面和代码字码链圆环表面叠合起来;
(e)确定通过叠合而减去代码字符强度或表面的帧面分段或相邻的帧面分段组;
(f)将降低了强度的帧面分段作为读取代码字符链表示;
(g)从第一个降低了强度的分段(起始比特)到最后一个降低了强度的分段(停止比特)对代码字符链进行译码。
5、按权利要求4所说的方法,其特征在于用以下步骤确定由步骤f确定并在步骤g译出的代码字符链的开始与结束;
(f、1)按上升顺序检查帧面分段以找出含有一个比特的帧面分段X,而如果找到了,则
(f、2)检查从帧面分段X开始去掉(Y-1)个帧面后的该帧面分段,确定它是否包含一个比特,如果是,就用这对定位的比特作为起始和终止比特,如果否,则重复步骤f、1和f、2直到这样一个比特被定位为止。
6、按权利要求5所说的方法,其特征在于采用二十八或三十二个比特的条形码为代码,该条形码是通过汉明距离获得的,它包括在起始和终止比特之间的六个试验比特和用于其它数据的比特。
7、按权利要求6所说的方法,其特征在于将数据比特分成日期,瓶子的生产线和类型以及充填物范围三个方面。
8、按权利要求1至7之一所说的方法,其特征在于摄像机是聚焦在瓶的内底面上,以使设置在瓶的外壁而高度处在瓶的最大圆周处的代码字符链也可被摄取到。
9、按权利要求1至8之一所说的方法,其特征在于瞬时图像是借助闪光照明用短的曝光时间摄取的。
10、按权利要求1至8之一所说的方法,其特征在于瞬时图像是在摄像机、瓶子和照明光源之间有零的相对转动速度来摄取的。
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